Česky
Fyzikální ústav AV ČR zahájil počátkem roku 2014 projekt LABONIT, který zpřístupňuje novou oblast polovodičového výzkumu v České republice. S finanční podporou Operačního programu Praha – Konkurenceschopnost ve výši 46 milionů korun umožní vybudovat vyspělé technologické laboratoře pro přípravu a charakterizaci nitridových polovodičů a jejich nanoheterostruktur. Na vzniku laboratoří se finančně podílí i FZÚ, který projekt podpoří přibližně čtyřmi miliony korun.
Fota: Archiv FZÚ AV ČR
Otevřený výzkumný reaktor pro organokovovou epitaxi s připravenými epitaxními podložkami, v němž mohou růst nitridové nanoheterostruktury.
Proč jsou nitridové polovodiče a struktury na nich založené tak důležité? V současnosti představují po křemíku druhý nejrozšířenější polovodičový materiál, s jehož aplikacemi se v běžném životě každodenně setkáváme. Nalezneme je například v barevných displejích mobilních telefonů i notebooků, v diodovém osvětlení, ve velkoplošných obrazovkách a LED televizích, neobešel by se bez nich současný automobilový průmysl, používají se v rozvodné soustavě, v jaderných elektrárnách nebo v kosmu, protože jsou odolné proti kosmickému záření. Nitridové součástky spolehlivě pracují také za vysokých teplot – u mnoha aplikací tudíž odpadá nutnost náročného chlazení. Nitridové struktury jsou vhodné také pro mikrovlnné aplikace, mobilní sítě a radary; v budoucnu se předpokládá jejich využití. Výzkum i výroba nitridových polovodičů má proto strategický význam.
LABONIT se snaží dohnat zpoždění, které česká věda v této oblasti nabrala. Podíváme-li se do sousedních zemí, v žádné z nich tato technologie nechybí. Například v Německu existuje vědeckých nitridových laboratoří několik desítek, v Polsku přibližně deset, na Slovensku mají v budování obdobné laboratoře roční předstih. Jde tak zároveň o jeden z příkladů podfinancování české vědy, neboť bez dotací Evropské unie by se projekt vzhledem k finanční náročnosti nemohl realizovat. Významnou roli sehrály rovněž institucionální prostředky FZÚ, bez nichž nemohl být projekt podán (pravidla pro udělení dotací totiž na žadateli vyžadují alespoň 7,5% spoluúčast.
Co si pod pojmem nitridový polovodič nebo nitridová heterostruktura představit? Nitridové polovodiče patří do skupiny sloučeninových polovodičů. Jde o monokrystaly wurzitového typu, v nichž se kombinují atomy dusíku s atomy III. skupiny periodické tabulky – s atomy galia, hliníku nebo india. Kombinacemi atomů III. skupiny s dusíkem můžeme vytvořit škálu nitridových polovodičů s různými vlastnostmi – například GaN, InN, AlGaN, InGaN atd. Vhodným vrstvením takových polovodičů vzniká funkční heterostruktura s požadovanými vlastnostmi. Pokud některou vrstvu tvoří jen několik atomových rovin, hovoříme o nanoheterostruktuře. U nitridových polovodičů jsou vazby mezi atomy dusíku a atomy III. skupiny silné, což zapříčiňuje jejich unikátní vlastnosti: odolnost vůči vysokým teplotám, ionizujícímu záření; lze je používat pro vysokovýkonné součástky, vyzařují kratší vlnové délky než dříve používané polovodiče. Silná vazba mezi atomy však znesnadňuje jejich přípravu. Aby mohl mít materiál požadované polovodivé vlastnosti, musí být monokrystalický a kvalitní. Na přípravu monokrystalických heterostuktur je potřebná monokrystalická podložka z vhodného, nejlépe stejného materiálu. Kvalitní a dostatečně velké nitridové podložky však doposud ve světě nikdo vyrobit neumí, i když na tomto úkolu pracuje několik světových laboratoří. Jde o podobný problém jako vyrobit velký kvalitní diamant, který má rovněž silné vazby mezi uhlíkovými atomy. Nitridové polovodiče se proto deponují na monokrystalických podložkách jiných materiálů (nejčastěji safírových), čímž se zhoršuje kvalita připravených vrstev. Kvalitní heterostruktury se nedařilo dlouho připravovat. Změna nastala až počátkem devadesátých let 20. století, kdy se v Japonsku Hiroshi Amanovi a Isamu Akasakimu podařilo navázat kvalitní GaN vrstvu na safírové podložce pomocí AlN vrstvy připravené za nízké teploty. Nápad přinesl firmě Nichia ohromné zisky a přivedl nitridové polovodiče do centra vědeckého zájmu, což brzy vyústilo v důležité aplikace. Navzdory škále již existujících aplikací však výzkum nitridových struktur není u konce a zůstává v popředí světového vědeckého zájmu i nadále – výzvou je například realizace zeleného nebo ultrafialového polovodičového laseru, postupně se zdokonaluje kvalita struktur pro vysokovýkonové součástky a nalézají další aplikace.
Příklady aplikací fotoluminiscenčních diod založených na nitridových polovodičích
Do uvedeného technologického výzkumu se zapojí i pracovníci nově budované laboratoře FZÚ, kteří mají s technologií epitaxe polovodičů z organokovových molekul mnohaletou praxi. Organokovová epitaxe představuje nejrozšířenější a doposud nejúspěšnější technologii přípravy nitridových polovodičových heterostruktur – jde však o poměrně složitou technologii. Při nerovnovážném růstovém procesu je třeba kontrolovat a vhodně nastavit několik desítek parametrů. Mnohem složitější je připravit kvalitní rozhraní mezi jednotlivými polovodiči v heterostruktuře a kvantově rozměrné struktury, jako jsou kvantové jámy a kvantové tečky. Zkušenosti a know-how, které tým MOVPE získal při přípravě polovodičových nanoheterostruktur v předcházejících téměř dvaceti letech, poskytují záruku, že vložené prostředky budou v krátké době po zprovoznění laboratoře využity.
Vedle technologického výzkumu usnadní laboratoř dostupnost nitridových heterostruktur dalším vědecko-výzkumným týmům, studentům vysokých škol, ale i průmyslovým subjektům v České republice. O jejich vzorky mají zájem mnohé akademické i univerzitní vědecké týmy v České republice – například pro studium bazálních poruch v nitridových krystalech pomocí rentgenové difrakce a radiační odolnosti nitridů; ve FZÚ se budou studovat vlastnosti povrchů nitridových krystalů se zaměřením na bioaplikace těchto krystalů, pracovníci Ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR se zajímají o vývoj kvalitních Schottkyho kontaktů pro nitridové polovodiče. Doposud si musely vědecké týmy obstarávat materiál pro tento výzkum v zahraničí. Předpokládáme, že možnost připravovat nitridové heterostruktury zprostředkuje spolupráci s českými i zahraničními výzkumnými pracovišti a laboratoř přispěje rovněž k součinnosti mezi vědeckým výzkumem a průmyslovými podniky. Zájem dokládají smlouvy o partnerství se dvěma firmami, s nimiž bude tým laboratoře spolupracovat při vývoji technologie pro vysokovýkonné nitridové součástky připravené na křemíkových substrátech nebo při vývoji rychlých nitridových scintilačních heterostruktur.
Rozhraní InN a GaN polovodičových vrstev zobrazené s atomovým rozlišením pomocí transmisního elektronového mikroskopu
Budování nitridové laboratoře se uskuteční ve třech šestiměsíčních fázích. V první polovině roku 2014 jsou vypsána výběrová řízení na přístroje a zařízení, ve druhé polovině se nakoupí část přístrojového vybavení a zadá výroba technologické aparatury. V poslední fázi (první polovina roku 2015) očekáváme dodání technologického vybavení, zkompletování jednotlivých zařízení do funkčního celku a zprovoznění laboratoře.
Laboratoř vzniká na základě nejnovějších poznatků ve vývoji technologie i optické charakterizace. Součástí projektu je také optická laboratoř vybavená kombinací Ramanova a luminiscenčního spektrometru s vysokým prostorovým a spektrálním rozlišením a optického konfokálního mikroskopu umožňujícím 2D a 3D zobrazování. Připravené nitridové nanoheterostruktury tak budou moci být rychle a kvalitně diagnostikovány. První nitridové heterostruktury by měla laboratoř připravit v polovině roku 2015.
ALICE HOSPODKOVÁ,
Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i.